圖像傳感器的基本知識

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資料介紹

圖像傳感器是傳感技術中最主要的一個分支，廣泛應用于各種領域，它是PC機多媒體大世界今后不可缺少的外設，也是保安監控產業中最核心的器件，包括光電鼠標、支持數碼照相技術的手機以及消費電子、醫藥和工業市場中的各種新應用。每種應用都有其獨特的客戶期望、技術挑戰和系統要求。

　　圖像傳感器根據元件不同分為CCD、CMOS。

　　CMOS圖像傳感器和CCD攝像器件在20年前幾乎是同時起步的。CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體元件)則應用于較低影像品質的產品中。由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優點，所以在過去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場。與之相反，CMOS圖像傳感器過去存在著像素大、信噪比小、分辨率低這些缺點，一直無法和CCD技術抗衡。但是隨著大規模集成電路技術的不斷發展，過去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術難關現已都能找到相應解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質量。目前CMOS單元面積的像素數已可與CCD單元面積的像素數相比，從而使CMOS圖像傳感器也可以做到高分辨率。如果能將CMOS黑白與彩色圖像傳感器的信噪比再提高10dB，光照靈敏度再提高4～5倍，那么CMOS圖像傳感器取代CCD器件就指日可待了。如果再考慮到CMOS圖像傳感器具有體積小、功耗低、高集成這些過去沒有得到充分發揮的優點，在今后都能得到充分發揮，那么一個嶄新的圖像技術時代即將來臨。據保守的估計，到2002年，CCD圖像器件市場的一半將被CMOS圖像傳感器取代。

　　CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD(Charge Coupled Device)，它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器芯片轉換成數字信號，數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。

　　CMOS：互補性氧化金屬半導體CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)和CCD一樣同為在數碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N(帶?C電) 和 P(帶+電)級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產生過熱的現象。

　　CIS(Contact Image Sensor)：接觸式圖像傳感器于八十年代末應運而生，它是由CMOS工藝制作的傳感器IC組成陣列，陣列的長度與原稿相同，光路由CIS本體決定，具有體積小、光路短等特點，組成的系統體積也小，而且安裝簡單，不需要調整光路，解決了圖像光學信號均勻性和部件體積問題，便于實現產品的小型化。

　　CCD的優勢在于成像質量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作為感應器;CMOS感應器則作為低端產品應用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產的攝想頭使用CCD感應器，廠商一定會不遺余力地以其作為賣點大肆宣傳，甚至冠以“數碼相機”之名。一時間，是否具有CCD感應器變成了人們判斷數碼相機檔次的標準之一。

　　CMOS影像傳感器的優點之一是電源消耗量比CCD低，CCD為提供優異的影像品質，付出代價即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫素的電荷轉換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅動，電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優點，是與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號處理器整合在一起，使體積大幅縮小。

　　從產品的技術發展趨勢看，無論是CCD還是CMOS，其體積小型化及高像素化仍是業界積極研發的目標。因為像素大則圖像產品的分辨率越高，清晰度越好，體積越小，其應用面更廣泛。